CN100520495C - 用于图像投影的光学系统和图像投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于图像投影的光学系统和图像投影设备，其中公开了一种用于图像投影的光学系统，其能够改善对比度同时抑制光量减少。该光学系统包括：会聚光学系统，以及偏振分束表面，其透射来自会聚光学系统的具有第一偏振方向的入射光通量，以将其引入到图像形成元件，并且使来自图像形成元件的出射光通量中具有第二偏振方向的光行进到投影光学系统。在平行于偏振分束表面的法线的第一截面中，会聚光学系统具有这样一种配置，该配置使通过出射光通量的强度分布质心的光线在分束表面上的入射角大于通过入射光通量的强度分布质心的光线在其上的入射角。

Description

用于图像投影的光学系统和图像投影设备

技术领域

本发明涉及用于使用反射图像形成元件的图像投影设备的光学系统。

背景技术

日本专利特开No.2000-206463已公开了一种图像投影设备，该图像投影设备使用诸如反射液晶面板的反射图像形成元件，并且在该图像投影设备中，其光学系统使照射该图像形成元件的光通量的会聚角在两个相互垂直的截面上是彼此不同的，以便改善投影图像的对比度。

此光学系统使一个方向上的光通量的会聚角小，在这个方向上，照射光或者投影光被偏振分束器的偏振分束膜弯折90度(即某个方向)，该偏振分束器用于把照射光引入到反射图像形成元件并且分析投影光的偏振状态。这种光学系统抑制了取决于入射角的偏振分束膜的特性的变化，并且减少来自于偏振分束膜的所谓的泄漏光的量，以改善投影图像的对比度。

上述某个方向上的照射光或投影光的光通量的过小的会聚角减少投影光的量，导致暗投影图像。日本专利特开No.2000-206463中公开的光学系统通过在两个相互垂直的方向上具有不同孔径宽度的孔径光阑限制照射光的光通量。然而，该光学系统需要孔径光阑的窄的孔径宽度，以便减小光通量的会聚角，导致光量显著减小。

日本专利特开No.2001-83604已公开了一种光学系统，该光学系统借助诸如柱形透镜的透镜的功能减小光通量的会聚角。这种光学系统也已经被日本专利特开No.2000-137290公开。

具体地，设置无焦系统，该无焦系统仅在照射光学系统的某个方向上由具有正光焦度的透镜和具有负光焦度

的透镜组成。该无焦系统能够将光通量压缩到

并且用透镜会聚压缩光通量只能在该某个方向上减小光通量的会聚角。

在日本专利特开No.2000-137290中公开的光学系统中，由于光通量被压缩，可以认为没有光量损失。然而，由于实际照射光通量不仅包括平行光线还包括各种方向的光线，照射光通量的角度分量与

的值成反比例地增加。在产生用于重叠地照射图像形成元件的多个光通量的透镜阵列处，以及在将来自光源的非偏振光转换成预定线性偏振光的偏振转换元件处，光通量的角度的增加导致效率降低，这导致实际光量减小。

发明内容

本发明提供能够改善对比度同时抑制光量减小的光学系统，以及具有该光学系统的图像投影设备。

根据一个方面，本发明提供一种用于图像投影的光学系统，包括：会聚光学系统，其将来自光源的光通量朝向反射图像形成元件会聚；以及偏振分束表面，其透射来自会聚光学系统的光通量当中具有第一偏振方向的入射光通量，以将其引入到该反射图像形成元件，并且使来自反射图像形成元件的出射光通量当中具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的光行进至投影光学系统。在平行于偏振分束表面的法线且平行于反射图像形成元件的入射/出射表面的法线的第一截面中，该会聚光学系统具有这样的配置，该配置使通过出射光通量的强度分布质心的光线在偏振分束表面上的入射角大于通过入射光通量的强度分布质心的光线在偏振分束表面上的入射角，该配置是以下配置之一：其中会聚光学系统的一部分关于其另一部分被偏轴的配置，以及关于入射/出射表面的法线进行倾斜的配置。

根据另一个方面，本发明提供一种包括上述光学系统的图像投影设备，以及由该图像投影设备和图像提供设备组成的图像显示系统，该图像提供设备将图像信息提供给该图像投影设备。

从以下描述和附图中，本发明的其它目标和特征将变得明显。

附图说明

图1示出了作为本发明实施例1的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图2示出了实施例1的光学系统的yz截面。

图3示出了实施例1中在偏振转换元件处的光强度的分布。

图4是用于说明实施例1中的孔径光阑的效果的图。

图5是用于说明实施例1中的照射光通量的状态的图。

图6是用于说明实施例1中的照射光通量的会聚角的图。

图7是用于说明实施例1到5中的用于分析投影光的性能的图。

图8是用于说明实施例1中的确定光强度分布的方法的图。

图9示出了作为本发明实施例2的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图10示出了实施例2的光学系统的yz截面。

图11示出了实施例2中在偏振转换元件处的光强度的分布。

图12示出了作为实施例2的修改例的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图13示出了图12所示的光学系统的yz截面。

图14示出了作为本发明的实施例3的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图15示出了实施例3的光学系统的yz截面。

图16示出了实施例3中在偏振转换元件处的光强度的分布。

图17示出了作为本发明实施例4的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图18示出了实施例4的光学系统的yz截面。

图19示出了实施例4中在偏振转换元件处的光强度的分布。

图20示出了实施例4的透镜阵列的修改例。

图21示出了作为本发明实施例5的用于图像投影的光学系统的xz截面。

图22示出了作为本发明的实施例6的用于图像投影的光学系统的xz截面。

具体实施方式

以下将通过参考附图描述本发明的优选实施方式。

实施例1

图1和2示出了作为本发明实施例1的用于图像投影的光学系统的配置。在本实施例中，Oc表示聚光透镜6的光轴。光轴Oc也是通过聚光透镜6的中心和作为反射图像形成元件的反射液晶面板8的入射/出射表面(此后仅称为面板表面)的中心的轴(或光轴)。

沿着光轴Oc的方向也被称作光行进方向(或者z轴方向)，在该方向上，来自光源灯LP的光通量通过聚光透镜6和偏振分束器7朝向反射液晶面板8行进。

图1示出了xz截面(第一截面)中的光学配置，其中在每一个都包括聚光透镜6的光轴Oc的xz截面和yz截面(第二截面)这两个截面中，该xz截面是平行于反射液晶面板8的短边的延伸方向的截面，该xz和yz截面彼此垂直。

xz截面也是平行于偏振分束器7的偏振分束表面7a的法线且平行于反射液晶面板8的面板表面(入射/出射表面)8a的法线的截面。

图2示出了yz截面中的光学配置，该yz截面是平行于反射液晶面板8的长边的延伸方向的截面。这些xz和yz截面的定义也应用于后文所述的实施例。

从诸如高压水银放电管的光发射管1发射的白色照射光通量被反射器2会聚，然后进入第一透镜阵列3。光发射管1和反射器2构成光源灯LP。

进入第一透镜阵列3的光通量被组成第一透镜阵列3的多个透镜单元划分成多个光通量。每个被划分的光通量向第二透镜阵列4的入射表面或其附近会聚，从而在该处形成次级光源图像。

从第二透镜阵列4射出的该多个被划分的光通量进入偏振转换元件5。

偏振转换元件5包括如图2中所示的多个偏振分束表面5a、多个反射表面5b、和多个二分之一波长板5c。

进入偏振转换元件5的非偏振光的P偏振光透射通过偏振分束表面5a以从偏振转换元件5射出而没有改变。另一方面，S偏振光被偏振分束表面5a反射，然后被反射表面5c反射。

然后，该S偏振光被二分之一波长板5c旋转90度，以从偏振转换元件5射出作为P偏振光。该偏振转换元件5以这种方式将入射的非偏振光转换成具有P偏振光的偏振方向的线性偏振光。

从偏振转换元件5射出的该多个被划分的光通量被聚光透镜6聚光为叠置在反射液晶面板8上。因此，具有均匀强度分布的照射区域形成在反射液晶面板8上。

以这种方式将来自光源灯LP的照射光通量引入到反射液晶面板8的光学系统(在本实施例中从第一透镜阵列3到聚光透镜6或偏振分束器7)被称为照射光学系统，该光学系统是一个会聚光学系统。

图1和图2示出了该配置，在该配置中，该照射光通量(或照射光)透射通过偏振分束器7的偏振分束器表面7a以到达反射液晶面板8。偏振分束器表面7a由多层膜形成。

这种配置因为截去了一个偏振光分量所以更加优秀，其中该偏振光分量包含在照射光中，并且与其偏振方向被偏振转换元件5统一化的偏振光分量不同。

驱动电路80连接到反射液晶面板8，并且诸如个人计算机的图像提供设备81、DVD播放器、和电视调谐器连接到驱动电路80。该驱动电路80基于从图像提供设备81接收到的图像(视频)信息而驱动反射液晶面板8，以使反射液晶面板8形成原始图像。反射液晶面板8图像调制并反射入射光(入射光通量)。在此，由反射液晶面板图像调制然后从其射出的光通量被称作出射光通量。这也被应用于后述的实施例。

用于本实施例的图像投影的光学系统被用于作为图像投影设备的投影仪。该投影仪和图像提供设备81组成了图像显示系统。这也被应用于后述的实施例。

被反射液晶面板8图像调制的投影光再次进入偏振分束器7然后被其偏振分束表面7a反射。从而，投影光的偏振状态被分析。

对于这一点，设置在偏振分束器7和反射液晶面板8之间的四分之一相位板9校正投影光的行进方向和偏振方向之间的几何倾斜。这在反射液晶面板8的黑色显示状态中抑制了来自偏振分束器7(即，来自偏振分束表面7a)的泄漏光。

被偏振分束表面7a反射然后从偏振分束器7射出的光被偏振板10进一步分析。透射通过偏振板10的光被投影透镜(或投影光学系统)11投影到诸如屏幕的未示出的投影表面上。

在如上配置的光学系统中，从光源灯LP行进到投影透镜11的光学路径被偏振分束器7(即被偏振分束表面7a)弯折。光学路径被弯折的方向是作为第一方向的x方向，垂直于x方向和入射/出射表面(即作为反射液晶面板8的光接收表面的面板表面8a)的法线的方向是y方向。

图3示出了在偏振转换元件5上的照射光的强度分布。被反射器2反射的照射光被第一透镜阵列3划分并被偏振转换元件5进一步划分。结果，在偏振转换元件5上获得了其中多个光源图像以放射状图案分布的照射光的强度分布。

在本实施例中，如图1和2所示，图4中所示的孔径光阑12被设置在临近偏振转换元件5的位置，以截去部分照射光。其原因是要限制角度光分量进入到反射液晶面板8，该角度光分量在被偏振分束器7分析时通常变为泄漏光。

在本实施例中，如图1中所示，从光源灯LP(即，从反射器2)到偏振转换元件5和孔径光阑12的光学系统部分被平移，即，关于包括聚光透镜6、偏振分束器7(或偏振分束表面7a)和包括反射液晶面板8的后续光学元件的光学系统部分在x方向上偏轴预定的量Δ。

这使得如图5中所示，照射光通量(或照射光)的强度分布的质心C从聚光透镜6的光轴Oc在x方向平移了预定的量Δ。该偏轴使孔径光阑12具有关于聚光透镜6的光轴Oc在x方向偏移的形状的孔径。

将简单描述如何平移即如何偏轴该光学系统部分。这里的描述是在xz截面(或第一截面)中，该xz截面平行于偏振分束器7的偏振分束表面7a的法线且平行于反射液晶面板8的面板表面8a的法线。

首先，如上所述，会聚光学系统(即，照射光学系统)将经由偏振分束表面7a朝向入射/出射表面(或面板表面)8a上的同一个入射点会聚的照射光通量的强度分布的上述质心C关于入射/出射表面8a的法线在上述入射点处以照射光通量的会聚角方向进行偏移。

该会聚光学系统具有如上偏轴的配置和关于入射/出射表面8a的法线倾斜的配置中的一种配置。

进而，会聚光学系统被配置成，使得被反射液晶面板8反射之后通过偏振分束表面7a上的质心C的光线的入射角大于进入反射液晶面板8之前在偏振分束表面7a上的光线的入射角。

通过强度分布的质心C的光线对应于进入上述相同入射点的光通量中通过照射光学系统(或会聚光学系统)的光瞳位置处的质心的光线。

此配置能够增大由反射液晶板8反射、然后撞击到偏振分束表面7a上的光线的入射角，这导致增大用作图像光的光量。换句话说，此配置能够改善偏振分束表面7a的S偏振光的反射系数。

接着，将描述偏振转换元件5上的照射光的强度分布和朝向反射液晶面板8会聚的光通量的角强度分布之间的关系。

反射液晶面板8设置在聚光透镜6的焦点位置的附近，使得进入聚光透镜6的照射光通量和朝向反射液晶面板8会聚的光通量之间的关系如图6所示。图6示出了xz截面。

图6中，进入聚光透镜6的、平行于聚光透镜6的光轴Oc的光通量a朝向反射液晶面板8的面板表面8a的中心8o会聚从而与聚光透镜6的光轴Oc形成角θ。

当平行光通量a的宽度是Q并且聚光透镜6的焦距是fc时，角θ和照射光学系统(Q和fc)之间的关系表达为如下：

θ＝tan^-1(Q/2fc)。

另一方面，以角β进入聚光透镜6的光通量b会聚于反射液晶面板8的面板表面8a的位置8p，从而形成与光通量a的角相同的角θ，该位置8p从面板表面8a的中心8o平移。

从中心8o到位置8p在x方向上的距离p被表达为如下：

p＝fc x tan(β)。

根据这个公式，由于照射光通量被聚光透镜6会聚，在偏振转换元件5上的照射光通量的强度分布被转换为朝向面板表面8a上的任意点(即，同一个入射点)会聚的光通量的角度强度分布。

这里的“角度强度分布”意味着在该光通量的会聚角方向上朝向面板表面8a上的任意点会聚的光通量的强度分布。另外，后面将说明的该角度强度分布的质心意味着在该角度强度分布中在会聚角方向上强度最大的位置。

“角度强度分布”还意味着关于角度的强度分布，换言之，在横轴指示角度且纵轴指示强度的情况下的强度分布。具体地，该角度强度分布意味着关于进入某个点的光通量的入射角的强度分布。后文将描述的“质心”意味着质心，或者通过关于入射角的强度分布的质心的光线。

在本实施例中，把偏振转换元件5设置在聚光透镜6的入射侧焦点附近使照射光通量远心。从而，限制偏振转换元件5附近的光通量(即，设置孔径光阑12)和光学元件(该第一和第二透镜阵列3、4及偏振转换元件5)的偏轴对于会聚在反射液晶面板8上的光通量的角度强度分布控制是有效的。

图6中所示的进入聚光透镜6的光通量的宽度Q可以被认为是这样一个区域，在该区域中，来自偏振转换元件5的照射光通量透射通过聚光透镜6并从那里射出，使得Qx代表x方向上的光通量的宽度，并且Qy代表图5中y方向上的光通量的宽度。

在图5中，Qx和Qy具有以下关系：

Qx<Qy。

因而，当x方向上的照射光通量的会聚角是θx(＝θ1)且y方向上的照射光通量的会聚角是θy(＝θ2)，它们具有如下关系：

θx<θy。

此外，x方向上的照射光通量的会聚角在x方向上被偏移。结果，朝向面板表面8a上的该任意点会聚的光通量的角度强度分布的质心(这以后称作角度强度质心)在x方向上也被偏移。

换言之，从光通量的角度强度质心朝向该任意点的方向(在此之后称为质心方向)关于面板表面8a在该任意点处的法线被倾斜。

当质心方向与面板表面8a的法线方向的角度(在此之后，该角度被称作质心方向的倾斜角)是α时，把α设置在以下的范围内是优选的：

1°≤α≤3°     ...(1)。

如果α小于条件表达式(1)的下限，可能很难获得偏移会聚光通量的角度强度质心的效果。另一方面，如果α大于条件表达式(1)的上限，则偏振分束器7的光分析性能可能下降，并且因此很难获得所需的高对比度。

此外，如上所述，当下面条件表达式被满足时：

θx<θy          ...(2)，

来自偏振分束器7的泄漏光的量可以被最小化。更优的是，θx/θy的比率满足下面的条件表达式：

0.6<θx/θy<0.9  ...(3)。

如果比率小于条件表达式(3)的下限，则光量的损失会增加，导致一个暗投影图像。另一方面，如果比率大于条件表达式(3)的上限，偏移角度强度质心的方向对应于在分析光中增加泄漏光的量的方向，使得可能不改善对比度，并从而可能难以获得偏移角度强度质心的效果。

注意，该这些条件表达式(1)到(3)是优选满足的，但并不是必需要求被满足的。这些条件(1)到(3)在后述实施例中也是优选满足的。

图7示出了偏振分束器7和用于光(或投影光)的偏振板10的光分析性能(或者光分析特性)。图7中的x轴和y轴分别对应于图1和2中的x方向和y方向。

组成偏振分束器7的偏振分束表面7a的多层膜的特性(即，诸如反射率特性和透射率特性的角特性)依赖于其上的光的入射角而变化。图7示出了在反射液晶面板8上的入射角是0度的情况下的偏振分束表面7a的二维角度特性。x和y轴的交叉点示为0度。图7示出了泄漏光随着入射角接近0度而降低，以及泄漏光朝向外围增加。

根据发明人的研究，该角特性关于中心(即0度)不是对称的，并且在x方向上的角特性比y方向上的角特性差。换言之，该角特性在x方向上是不对称的。

在这种情况下，本实施例中，如上所述，孔径光阑12被设置在偏振转换元件5附近。进而，从反射器2到偏振转换元件5的光学系统部分关于包括聚光透镜6和后续的光学元件的光学系统部分偏轴了预定的量Δ，从而在x方向上从聚光透镜6的光轴Oc平移角度强度质心。

从而，质心方向关于面板表面8a的法线方向倾斜，这使得能够将来自照射光学系统的光通量的强度分布调节成图7所示的光分析特性。面板表面任意点处的法线平行于聚光透镜6的光轴Oc。

因而，与试图通过只用一个孔径光阑改善对比度的常规配置相比，光量的损失能够减少。

上述的角度强度分布能够从在偏振转换元件5上的照射光的强度分布而推导出来。然而，偏振转换元件5上的照射光的强度分布是透射过偏振转换元件5的光通量的空中强度分布，使得可能难以确定分布。

在这种情况下，如图8所示，去掉投影透镜11以直接从偏振板10将光引入到屏幕14使得能够获得相似于偏振转换元件5上的强度分布的强度分布。在这种情况下的分布的中心是反射液晶面板8的中心。在图8中，附图标记15示出了一个弯折光学路径的反射镜。

实施例2

图9和10示出了作为本发明实施例2的用于图像投影的光学系统的配置。本实施例对应于这样一个光学系统，其中一个变形光通量压缩系统被设置在实施例1的照射光学系统中。

在本实施例中，与实施例1中所述的那些元件相同的元件被指定以相同的附图标记。

在本实施中，凸柱形透镜21和凹柱形透镜22按照从灯侧开始的顺序设置在光源灯LP和第一透镜阵列3之间。凸柱形透镜21是在x方向上具有正折射焦度(即正光焦度)且在y方向上没有折射焦度的复曲面透镜(toric lens)。该凹柱形透镜22是在x方向上具有负折射焦度且在y方向上没有折射焦度的复曲面透镜。

图9示出了xz截面，其中光通量被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22压缩。图10示出了yz截面，其中光通量没有被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22折射。

从光源灯LP的光发射管1发射出的白色照射光通量被反射器2校准以成为平行光通量，然后进入凸柱形透镜21。进入凸柱形透镜21的平行照射光通量被会聚在图9中所示的截面，然后进入凹柱形透镜22。进入凹柱形透镜22的会聚光通量被凹柱形透镜22的折射焦度转换为再次成为平行光通量，即，被压缩然后进入第一透镜阵列3，其中该凹柱形透镜22被设置为以便与凸柱形透镜21共同创建一个基本上无焦的状态。

进入第一透镜阵列3的光通量被组成第一透镜阵列3的多个透镜单元划分为多个光通量。该多个光通量透射通过第二透镜阵列4，然后进入偏振转换元件5。

进入偏振转换元件5的非偏振光被转换成具有如实施例1中所述的偏振方向的线性偏振光。

从偏振转换元件5射出的多个光通量被聚光透镜6聚光，以叠置在反射液晶面板8上。

同样在本实施例中，如同实施例1中，照射光通量被透射通过偏振分束器7的偏振分束表面7a到达反射液晶面板8。

被反射液晶面板8图像调制的光被偏振分束表面7a反射，通过该偏振分束表面7a分析其偏振状态。四分之一相位板9的功能和实施例1中的相同。

被偏振分束表面7a反射然后从偏振分束器7射出的光进一步被偏振板10分析。透射通过偏振板10的光被投影透镜11投影到一个未示出的屏幕上。

图11示出了在偏振转换元件5上的照射光的强度分布。被反射器2反射的照射光(在图中用1所示)被凸和凹圆柱形透镜21和22压缩，然后被第一透镜阵列3划分，并且被偏振转换元件5进一步划分。结果，在偏振转换元件5上获得其中分布着多个拉平的光源图像的照射光的强度分布。

在本实施例中，从光源灯LP(即从反射器2)到偏振转换元件5的光学系统部分被平移，即，关于包括聚光透镜6、偏振分束器7(或偏振分束表面7a)和包含反射液晶面板8的后续的光学元件的光学系统部分，在x方向偏轴预定的量Δ。

这能使在偏振转换元件5上的照射光通量的强度分布的质心C在x方向上从聚光透镜6的光轴Oc平移预定的量Δ。

从而，光通量以如下状态朝向面板表面8a上的任意点会聚：在该状态中，偏振转换元件5上的其强度分布被转换成角度强度分布。这可以关于面板表面8a上任意点处的法线在x方向上偏移朝向面板表面8a上的该任意点会聚的光通量的角度强度质心。换言之，这可以关于面板表面8a的法线在x方向上倾斜质心方向。

如上所述，在本实施例中，该照射光通量的角度强度分布被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22拉平。进而，从反射器2到偏振转换元件5的光学系统部分在x方向上关于包括聚光透镜6和后续的光学元件的光学系统部分被平移预定的量Δ，从而从聚光透镜6的光轴Oc平移角度强度质心。

这使得能够将来自照射光学系统的光通量的强度分布(或者会聚光通量)调节为图7中所示的光分析特性。因而，与试图仅通过使用凸和凹柱形透镜改善对比度的常规配置比较，光量的损失能够被减少。此外，在本实施例中，在x方向上压缩光通量能够偏移角度强度质心，使得光量的损失被进一步减少。

将要简要描述如何平移，即，如何偏轴光学系统部分。这里的描述是在平行于偏振分束器7的偏振分束表面7a的法线且平行于反射液晶面板8的面板表面(或入射/出射表面)8a的法线的方向的xz截面(或者第一截面)中进行的。该xz截面平行于本实施例中的光通量的压缩方向。

首先，如上所述，会聚光学系统将经由偏振分束表面7a朝向入射/出射表面(或面板表面)8a上的同一个入射点会聚的照射光通量的强度分布的质心C关于入射/出射表面8a的法线在上述入射点处以照射光通量的会聚角方向进行偏移。

该会聚光学系统具有如上偏轴的配置和关于入射/出射表面8a的法线倾斜的配置中的一种配置。

进而，会聚光学系统被配置成，使得被反射液晶面板8反射之后通过偏振分束表面7a上的质心C的光线的入射角大于进入反射液晶面板8之前在偏振分束表面7a上的光线的入射角。

通过强度分布的质心C的光线对应于进入上述相同入射点的光通量中通过照射光学系统(或会聚光学系统)的光瞳位置处的质心的光线。

此配置能够增加被反射液晶面板8反射然后撞击偏振分束表面7a的光线的入射角，导致增加用作图像光的光量。换言之，这种配置能够改善S偏振光的偏振分束表面7a的反射系数。

此后将对发明人的具体研究进行描述。发明人研究了图9和10所示的使用相对小的反射液晶面板以优先考虑亮度的配置、和图12和13所示的使用相对大的反射液晶面板以优先考虑对比度的配置。图12和13所示的元件与图9和10所示的相同。

上述两种配置在聚光透镜6的焦距方面以及构成第一和第二透镜阵列3和4的每个透镜单元的尺寸方面是不同的。这两种配置中的聚光透镜6的不同焦距改变了会聚在反射液晶面板8上的光通量的会聚角，从而控制其中优先考虑亮度的状态和其中优先考虑对比度的状态。

进而，聚光透镜6的不同焦距以及在第一和第二透镜阵列3和4中的每个透镜单元的不同尺寸控制对应于反射液晶面板8的尺寸的均匀照射区域的尺寸。

在图9和10中所示的配置中，当fc、Δ和Q的值是如下时获得好的对比度：

fc＝67mm

Δ＝1.5mm

Q＝21mm，

且α是1.28°

另一方面，在图12和13中所示的配置中，当fc、Δ和Q的值是如下时获得好的对比度：

fc＝134mm

Δ＝3.5mm

Q＝28.4mm，

且α是1.50°

如上所述，本实施例中的配置与实施例1中的配置非常不同。然而，对比度受到图7中所示的光分析性能的很大影响，使得质心方向的倾斜角α满足实施例1中所述的条件表达式(1)是优选的。

实施例3

图14和15示出了作为本发明实施例3的用于图像投影的光学系统的配置。该实施例是一个修改例，并且和实施例2中描述的元件相同的元件被指定以相同的附图标记。

本实施例对应于这样一种光学系统，在该光学系统中，在实施例2的照射光学系统中设置孔径光阑。孔径光阑被设置在接近偏振转换元件5的位置。

图14示出了其中光通量被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22压缩的xz截面。图15示出了其中光通量没有被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22折射的yz截面。

从光发射管1发射的白色照射光通量被反射器2校准以成为平行光通量，然后进入凸柱形透镜21。该进入凸柱形透镜21的平行光通量会聚在如图14中所示的截面中，然后进入凹柱形透镜22。进入凹柱形透镜22的会聚光通量被凹柱形透镜22的折射焦度转换为再次成为平行光通量，即，被压缩然后进入第一透镜阵列3，其中该凹柱形透镜22被设置为以便与凸柱形透镜21共同创建基本上无焦的状态。

进入第一透镜阵列3的光通量被组成第一透镜阵列3的多个透镜单元划分为多个光通量。该多个光通量透射通过第二透镜阵列4，然后进入偏振转换元件5。

进入偏振转换元件5的非偏振的光被转换成具有如实施例1和2中所述的偏振方向的线性偏振光。

从偏振转换元件5射出的多个光通量被聚光透镜6聚光，以叠置在反射液晶面板8上。

同样在本实施例中，如同实施例1和2中，照射光通量透射通过偏振分束器7的偏振分束表面7a，以到达反射液晶面板8。

被反射液晶面板8图像调制的光被偏振分束表面7a反射，通过该偏振分束表面7a分析其偏振状态。四分之一相位板9的功能和实施例1中的相同。

被偏振分束表面7a反射然后从偏振分束器7射出的光进一步被偏振板10分析。透射通过偏振板10的光被投影透镜11投影到一个未示出的屏幕上。

偏振转换元件5上的照射光的强度分布与使用图11在实施例2中描述的相同。换言之，获得其中分布了多个拉平的光源图像的强度分布。

在本实施例中，孔径光阑31设置在接近偏振转换元件5的位置上以截去部分照射光通量。

进而，在如图14所示的本实施例中，从光源灯LP(即从反射器2)到偏振转换元件5的光学系统部分在x方向上关于包括聚光透镜6和后续的光学元件的光学系统部分被平移，即被偏轴一个预定量Δ。

如图16中所示，这可以使得偏振转换元件5上的照射光通量的强度分布的质心C从聚光透镜6的光轴Oc在x方向上被平移预定的量Δ。

光通量以如下状态朝向面板表面8a上的任意点会聚：在该状态中，偏振转换元件5上的其强度分布被转换成角度强度分布。因此，质心方向在x方向上关于面板表面8a的法线倾斜。

如上所述，在本实施例中，该照射光通量的角度强度分布被凸柱形透镜21和凹柱形透镜22拉平。进而，孔径光阑31被设置在偏振转换元件5的附近，并且从反射器2到偏振转换元件5的光学系统部分在x方向上关于包括聚光透镜6和后续的光学元件的光学系统部分被平移了预定的量Δ。

这能够将朝向面板表面8a上的任意点会聚的光通量的角度强度质心在x方向上关于该任意点处面板表面8a的法线偏移。换言之，这可以使质心方向关于面板表面8a的法线倾斜，从而使得能够将来自照射光学系统的光通量的强度分布调节为图7中的光分析特性。

实施例4

图17和18示出了作为本发明实施例4的用于图像投影的光学系统的配置。在本实施例中，与实施例2中描述的元件相同的元件被分配以相同的附图标记。

在本实施例中，从光源灯侧开始依次设置了：在x方向和y方向上具有正折射焦度(即正光焦度)的凸透镜41；由多个透镜单元构成的第一透镜阵列42，其具有在y方向上带有负折射焦度的凹柱形透镜表面；以及由多个透镜单元构成的第二透镜阵列43，其具有在x方向上带有负折射焦度的凹柱形透镜表面。

图17示出了其中第二透镜阵列43的凹柱形透镜表面具有负折射焦度的xz截面。图18示出了其中第一透镜阵列42的凹柱形透镜表面具有负折射焦度的yz截面。

从光源灯LP的光发射管1发射的白色照射光通量被反射器2校准成为平行光通量，然后进入凸透镜41。该进入凸透镜41的平行光通量会聚在图17和18中所示的每一个截面中。然后，在图17所示的截面中，会聚光通量没有改变地通过第一透镜阵列42，并且进入第二透镜阵列43的凹柱形透镜表面。

进入该凹柱形透镜表面的会聚光通量被凹柱形透镜表面的折射焦度转换为再次成为平行光通量，即被压缩，其中该凹柱形透镜表面被设置为以便与凸透镜41共同创建基本上无焦的状态。

另一方面，在图18所示的截面中，来自凸透镜41的会聚光通量进入第一透镜阵列42的凹柱形透镜表面。进入该凹柱形透镜表面的会聚光通量被凹柱形透镜表面的折射焦度转换为再次成为平行光通量，即被压缩，其中该凹柱形透镜表面被设置为以便与凸透镜41共同创建基本上无焦的状态。

此外，来自凸透镜41的光通量被该第一透镜阵列3中的该多个透镜单元划分为多个光通量。该多个光通量透射通过第二透镜阵列4，然后进入偏振转换元件5。

进入偏振转换元件5的非偏振光被转换为偏振方向如实施例1所述的线性偏振光。

从偏振转换元件5射出的多个光通量被聚光透镜6聚光，以叠置在反射液晶面板8上。

同样在本实施例中，如同实施例1中，照射光通量透射通过偏振分束器7的偏振分束表面7a，到达反射液晶面板8。

被反射液晶面板8图像调制的光被偏振分束表面7a反射，通过该偏振分束表面7a分析其偏振状态。四分之一相位板9的功能和实施例1中的相同。

被偏振分束表面7a反射然后从偏振分束器7射出的光进一步被偏振板10分析。透射通过偏振板10的光被投影透镜11投影到一个未示出的屏幕上。

图19示出了偏振转换元件5上的照射光的强度分布。由凸透镜41会聚的照射光被第一透镜阵列3划分为多个光通量，然后被第一和第二透镜阵列3、4转换成平行光通量，然后进而被偏振转换元件5划分。结果，在偏振转换元件5上，获得了其中分布了多个拉平的光源图像的照射光的强度分布。

同样在如图17所示的本实施例中，从光源灯LP(即从反射器2)到偏振转换元件5的光学系统部分在x方向上关于包括聚光透镜6、偏振分束器7(或偏振分束表面7a)和包含反射液晶面板8的后续的光学元件的光学系统部分被平移，即被偏轴一个预定量Δ。这可以使偏振转换元件5上的照射光通量的强度分布的质心C在x方向上从聚光透镜6的光轴Oc平移一个预定量Δ。

光通量以如下状态朝向面板表面8a上的任意点会聚：在该状态中，偏振转换元件5上的其强度分布被转换成角度强度分布。因此，质心方向在x方向上关于面板表面8a的法线倾斜。

如上所述，在本实施例中，该照射光通量的角度强度分布被集成地形成在第一和第二透镜阵列3和4上的凸柱形透镜41和凹柱形透镜表面拉平。进而，从反射器2到偏振转换元件5的光学系统部分在x方向上关于包括聚光透镜6和后续的光学元件的光学系统部分被平移了预定的量Δ。

这能够将朝向面板表面8a上的任意点会聚的光通量的角度强度质心在x方向上关于该任意点处的面板表面8a的法线偏移。换言之，这可以使质心方向关于面板表面8a的法线倾斜，从而使得能够将来自照射光学系统的光通量的强度分布调节为图7中的光分析特性。

尽管多个透镜单元和凹柱形透镜表面形成在本实施例中的每个透镜阵列中的不同表面上，可以使用这样一种透镜阵列142，其中多个透镜单元和一个凹柱形透镜形成在图20中所示的相同表面上。特别地，透镜阵列142的每个透镜单元的中心位于凹表面5。

进而，尽管本实施例使用具有抛物线表面的反射器2并通过使用凸透镜41会聚照射光通量，也可使用椭圆形的反射器以除去凸透镜41。

实施例5

图21示出了作为本发明实施例5的用于图像投影的光学系统的xz截面中的配置。本实施例是一个修改例，与实施例2中描述的元件相同的元件被分配以相同的附图标记。

本实施例与实施例2不同之处在于，整个照射光学系统(本实施例中的从光源灯LP到聚光透镜6)关于反射液晶面板8(即，面板表面8a)的法线N在x方向上倾斜一个角度θ。

这能够将朝向面板表面8a上的任意点会聚的光通量的角度强度质心在x方向上关于面板表面8a在该任意点处的法线N偏移。换言之，这可以使质心方向关于面板表面8a的法线N倾斜，从而使得能够将来自照射光学系统的光通量的强度分布调节为图7中的光分析特性，如同上述实施例中的每个实施例。

实施例6

在上述每一个实施例中，描述了这样的情况：在该情况中，来自光源的照射光通量透射通过偏振分束器(即，偏振分束表面)以便被引入到反射液晶面板，并且由反射液晶面板反射的光通量(即投影光)被偏振分束器反射以便被引入到投影透镜。

然而，作为本发明的一个替换实施例，可以采用图22中所示的配置，在该配置中，照射光通量被偏振分束器反射，以便被引入到反射液晶面板，并且由反射液晶面板反射的光通量透射通过偏振分束器，以便被引入到投影透镜。此外，在照射光学系统侧和投影透镜侧都可以设置上述每个实施例中所述的偏振板。

进而，在上述的每一个实施例中，描述了这样的情况：在该情况中，只设置有一个反射液晶面板。然而，如图22中所示，可以设置三个液晶面板。

图22示出了作为本发明实施例6的用于图像投影的光学系统的配置，其在实施例2中所述的照射光学系统中包括三个液晶面板。

在与聚光透镜6相比更靠近投影透镜11的一侧，附图标记71示出了透射绿色(G)光并且反射红色(R)光和蓝色(B)光的二向色反射镜。附图标记72，73和74示出了分别用于G、R、和B的液晶面板。附图标记75，76和77示出了对应于实施例1和2中所述的四分之一相位板9的分别用于G、R、和B的四分之一相位板。

附图标记81示出了第一偏振分束器，其将R光取决于其偏振方向朝向用于R的液晶面板73(此后称为R面板)反射，并且将B光取决于其偏振方向朝向用于B的液晶面板74(此后称为B面板)透射。第一偏振分束器将分别由R和B面板73和74反射的R光和B光进行组合。

附图标记82示出了第二偏振分束器，其将G光朝向用于G的液晶面板72(此后称为G面板)透射，并且反射由G面板72反射的G光。

附图标记78示出了第一偏振板，并且79示出了第二偏振板。附图标记78示出了一种颜色选择相位板，其将R光的偏振方向旋转90度，并且不转换B光的偏振方向。附图标记84示出了第三偏振板，85示出了第四偏振板。

附图标记83示出了颜色组合棱镜，其透射来自第一偏振板81的R光和B光，并且反射来自第二偏振分束器82的G光。颜色组合棱镜83组合R光、B光、和G光，以将它们引入投影透镜11。

根据上述每一个实施例，在第一截面中可以偏移照射反射图像形成元件的光通量的角度强度分布的质心。这使得能够降低来自偏振分束表面的泄漏光的量，同时抑制光量降低。因此，该光学系统可以以高对比度投影明亮图像。

在上述每个实施例中，描述了使用液晶面板的情况。然而，本发明的替换实施例可以使用诸如DMD(数字微反射镜装置)的其他反射图像形成元件。

此外，本发明不限于这些优选实施例，并且可以进行各种变化和修改，而不脱离本发明的范围。

Claims (9)

1.一种用于图像投影的光学系统，包括：

会聚光学系统，其将来自光源的光通量朝向反射图像形成元件会聚；以及

偏振分束表面，其透射来自会聚光学系统的光通量当中具有第一偏振方向的入射光通量，以将其引入到该反射图像形成元件，并且使来自反射图像形成元件的出射光通量当中具有垂直于第一偏振方向的第二偏振方向的光行进至投影光学系统，

其中，在平行于偏振分束表面的法线且平行于反射图像形成元件的入射/出射表面的法线的第一截面中，

该会聚光学系统具有这样的配置，该配置使通过出射光通量的强度分布质心的光线在偏振分束表面上的入射角大于通过入射光通量的强度分布质心的光线在偏振分束表面上的入射角，该配置是以下配置之一：其中会聚光学系统的一部分关于其另一部分被偏轴的配置，以及关于入射/出射表面的法线倾斜的配置。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中

该会聚光学系统包括：将来自光源的光通量划分为多个光通量的透镜阵列，将来自透镜阵列的非偏振光转换为具有某种偏振方向的线性偏振光的偏振转换元件，以及将来自偏振转换元件的多个光通量叠置在反射图像形成元件上的会聚透镜，以及

该会聚光学系统在第一截面上具有以下配置之一：其中透镜阵列和偏振转换元件关于会聚透镜、偏振分束表面、和反射图像形成元件偏轴的配置，以及关于入射/出射表面的法线倾斜的配置。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其中满足以下条件：

1°≤α≤3°

其中α表示由朝向入射点会聚的入射光通量的质心朝向入射点的方向和入射/出射表面的入射点处的法线形成的角。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其中满足以下条件：

θ1<θ2

其中θ1表示朝向第一截面中的入射点会聚的入射光通量的会聚角，并且θ2表示垂直于该第一截面并且平行于入射/出射表面的法线的第二截面中的入射光通量的会聚角。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中还满足以下条件：

0.6<θ1/θ2<0.9。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其中

该会聚光学系统包括：将来自光源的光通量划分为多个光通量的透镜阵列，将来自透镜阵列的非偏振光转换为具有某种偏振方向的线性偏振光的偏振转换元件，以及将来自偏振转换元件的多个光通量叠置在反射图像形成元件上的会聚透镜，以及

多个光学元件设置在光源和会聚透镜之间，其中每一个光学元件在第一截面中和垂直于第一截面且平行于入射/出射表面的法线的第二截面中具有不同的光焦度。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其中

该会聚光学系统包括：将来自光源的光通量划分为多个光通量的透镜阵列，将来自透镜阵列的非偏振光转换为具有某种偏振方向的线性偏振光的偏振转换元件，将来自偏振转换元件的多个光通量叠置在反射图像形成元件上的会聚透镜，以及设置在光源和会聚透镜之间的孔径光阑，以及

该孔径光阑关于会聚透镜的光轴在第一截面中被偏轴。

8.一种图像投影设备，其包括根据权利要求1所述的光学系统。

9.一种图像显示系统，其包括：

根据权利要求8所述的图像投影设备；以及

图像提供设备，其将图像信息提供给该图像投影设备。

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